CN103630523A - 一种用于水质光学分析仪表的激光诱导光谱生成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于检测水体有机物综合性指标的水质光学分析仪表的激光诱导光谱生成装置。该装置包括，TLD光源1、光纤2、入射光学窗口3、样品池4、透射光探测光学窗口5、荧光探测光学窗口6、双通道光谱仪7和数据处理与控制计算单元8。TLD光源1采用单片集成可调谐半导体激光器，在数据处理与控制计算单元8的同步控制下，TLD光源1在UV/Vis波段依次输出不同波长的单色光，照射样品产生透射光和荧光，双通道光谱仪7则将其分别进行光电转换，送入数据处理与控制计算单元8生成UV/Vis吸收光谱、拉曼散射光谱和高维荧光光谱。该装置结构简单，可充分激励样品中各种有机物成分的光谱特性，有利于提高样品有机物综合性指标检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱生成装置，特别是一种用于检测水体有机物综合性指标的水质光学分析仪表的样品激光诱导光谱生成装置。
背景技术
所述水质光学分析仪表被广泛用于检测水体的有机物综合性指标值（如COD、BOD、TOC、CODmn等），其工作机制是利用紫外／可见（UV/Vis）波段（200-800nm）的连续光谱光束照射水体时，其能量会被其中各种有机物分子选择性吸收、散射或激发荧光的原理，通过测量水样的UV吸收光谱强度或荧光发射光谱强度，再由数学模型计算获得水样中有机物综合性指标的测量值。在这种工作原理的测量装置中，除了光源、光敏传感器、水样采样装置等物理光学检测设备和嵌入式计算机数据处理单元外，排除了所有化学反应过程，因此不再需要任何化学反应设备，从而从性能上克服了传统的水质化学分析仪表的一系列缺陷，特别适用于无人值守的大范围在线水质分析、环境污染监测。中国发明专利申请CN101275905《一种多源光谱融合便携式水质分析仪》给出了此类水质光学分析仪表的一个典型实例。
但现有的光谱生成技术通常直接利用产生UV/Vis连续光谱的光源（如氘钨灯）照射样品，并通过光谱仪将透射光转换为吸收光谱；或利用单波长激光光源（如半导体激光器）激发样品，然后通过光谱仪将样品发射的荧光转换成荧光发射光谱。采用上述方法生成的样品光谱均为描述吸收光强与光源照射波长之间关系（对UV/Vis吸收光谱而言）、或描述荧光发射光强与荧光发射波长之间关系（对荧光发射光谱而言）的一维光谱，对样品中各种有机物成分的辨别能力较差，使水体有机物综合性指标值的检测误差较大。并且生成上述两类光谱需采用不同的光源，增加了水质分析仪表结构的复杂性。
事实上，在所述水质光学分析仪表中，利用不同波长的光源照射样品激发荧光并获取其荧光发射光谱，最后生成描述荧光发射光强与激发光源波长及荧光发射波长之间关系的高维荧光光谱，对于充分揭示样品中各种化合物的成分和含量、提高水质有机物综合性指标的检测精度具有重要意义。目前在荧光分析领域，生成高维荧光光谱的装置主要是荧光分光光度计，采用可产生连续光谱的光源（如氙弧灯）经扫描激发单色器过滤出一系列单色激发光照射样品，然后依次将样品发射的荧光转换成荧光发射光谱，联合激发光源的不同波长构成高维荧光光谱。通常由于获得的样品荧光发射强度极其微弱，除需使用大功率的光源外，在获取样品的荧光发射光谱时还需使用发射单色器和光电倍增管，进一步增加了装置的复杂性和仪表的测量误差。针对这一问题，中国发明专利申请CN101275905给出了一种以多个小型固体激光器和半导体激光器组成的数控多波长集成激光器为光源的高维荧光光谱生成装置，通过计算机控制不同波长的激光器切换产生一系列单色激发光。但这种装置要使用多个激光器，结构复杂，成本高，而且输出的激发光波长受各个激光器的材料限制，难以在需要的带宽范围内均匀分布在不同的激发波长上，不能获得理想的高维荧光光谱，从而不利于提高水质分析仪表的精度。此外，使用上述技术方案只能生成样品的荧光光谱，如需生成UV/Vis吸收光谱仍需采用其他光源。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术在生成水质样品高维光谱时设备结构复杂、激发光源波长受限的问题，而提供一种新的水质光学分析仪表激光诱导光谱生成装置。其特点是采用单一可调波长激光光源即可同时获取被分析样品的UV/Vis吸收光谱、拉曼散射光谱和高维荧光光谱，并且激发光波长在需要的带宽范围内均匀分布，使样品中各种有机物成分的光谱特性得到充分激励，可显著改善样品有机物综合性指标值的检测精度。
本发明的关键设备是可调谐半导体激光器（TLD）。TLD是在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器，通过热调谐、机械调谐或载流子注入来直接或间接改变激光器谐振腔的光学长度，来实现激光波长调谐，再通过波长选择单元、相位调节单元进行腔模对准和波长输出。TLD被广泛应用于宽带光通讯***和物质结构分析，在大气环境监测、燃气温度测量等领域也有少量应用实例。但在这些应用中，通常采用可见和红外波段的TLD光源，在光谱分析领域的应用通常采用吸收光谱。本发明首次采用TLD光源在UV/Vis波段范围内同时生成样品吸收光谱和高维荧光光谱，用于水体有机物成分和含量分析。
本发明的技术方案是：采用宽带TLD作为样品光谱生成的激发光源，通过光纤连接至样品池的入射光学窗口照射样品，在样品池与入射光成90°和180°夹角位置分别设置透射光和荧光探测光学窗口，通过光纤连接至双通道面阵式电荷耦合元件（CCD）高灵敏度光谱仪生成所需样品光谱。激发光源和光谱仪的运行由一数据处理与控制计算单元实现同步控制。
多维光谱生成装置工作时，数据处理与控制计算单元启动TLD光源，并在UV/Vis波段范围内由低到高连续调谐激光器的输出波长，依次通过入射光学窗口照射样品，并同步控制双通道光谱仪的光信号输入端口，分别从透射光探测光学窗口和荧光探测光学窗口获取在每一入射波长激光激发下样品的透射光强以及拉曼散射光／荧光光强信号，然后经数据处理与控制计算单元进行数据处理，生成样品在所需波段范围内的吸收光谱、拉曼散射光谱和高维荧光发射光谱，其中TLD光源的每一输出波长对应于样品吸收光谱的一个对应波长，以及一个完整的样品拉曼散射光谱和荧光发射光谱。
在本发明中由于采用了单一的TLD光源，并在UV/Vis波段范围内连续调谐激光器的输出波长，因此整个装置的结构简洁、充分激励了样品中各种有机物成分的吸收光谱、拉曼散射光谱和荧光光谱特性，可显著提高样品有机物综合性指标值的检测精度。
附图说明
图1为水质光学分析仪高维光谱生成装置结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种用于检测水体有机物综合性指标的水质光学分析仪表的样品高维光谱生成装置，由TLD光源1、光纤2、入射光学窗口3、样品池4、透射光探测光学窗口5、荧光探测光学窗口6、双通道光谱仪7和数据处理与控制计算单元8组成。TLD光源1通过光纤2连接至样品池4的入射光学窗口3，而样品池4的透射光探测光学窗口5和荧光探测光学窗口6通过光纤2分别连接至双通道光谱仪7的UV/Vis吸收光谱测量通道和拉曼散射／荧光发射光谱通道。数据处理与控制计算单元8的同步控制信号输出端通过信号电缆9分别与TLD光源1和双通道光谱仪7的控制信号输入端相连接，数据处理与控制计算单元8的光谱信号输入端通过信号电缆9与双通道光谱仪7的光谱信号输出端相连接。
TLD光源1采用带宽范围在［370nm, 800nm］的小体积、低功耗单片集成可调谐半导体激光器，输出功率可达60mw，采用载流子注入方式进行波长调谐，波长切换速率不小于1KHz。
入射光学窗口3带有准直透镜组10。
透射光探测光学窗口5带有准直透镜组11，其轴线与入射光学窗口3轴线夹角为180°。
荧光探测光学窗口6带有聚焦透镜组12，其轴线与入射光学窗口3轴线夹角为90°。
双通道光谱仪7采用面阵式热电制冷背照式CCD高灵敏度光谱仪。
数据处理与控制计算单元8为一嵌入式计算机，带有数据处理与控制应用软件。
数据处理与控制计算单元8以10Hz的速率在TLD光源1的可调谐波长范围内由小到大顺序控制切换TLD光源1的输出波长，并对应于每一个输出波长同步控制双通道光谱仪7，依次从透射光探测光学窗口5和荧光探测光学窗口6获取样品的光谱信息，经光电转换后送入数据处理与控制计算单元8，进行数据处理后生成样品的UV/Vis吸收光谱、拉曼散射光谱和高维荧光发射光谱，用于样品的有机物综合性指标分析。
Claims (4)
1.一种用于检测水体有机物综合性指标的水质光学分析仪表的激光诱导光谱生成装置，由TLD光源1、光纤2、入射光学窗口3、样品池4、透射光探测光学窗口5、荧光探测光学窗口6、双通道光谱仪7和数据处理与控制计算单元8组成，其特征在于TLD光源1通过光纤2连接至样品池4的入射光学窗口3，而样品池4的透射光探测光学窗口5和荧光探测光学窗口6通过光纤2分别连接至双通道光谱仪7的UV/Vis吸收光谱测量通道和荧光发射光谱通道，数据处理与控制计算单元8的同步控制信号输出端通过信号电缆9分别与TLD光源1和双通道光谱仪7的控制信号输入端相连接，数据处理与控制计算单元8的光谱信号输入端通过信号电缆9与双通道光谱仪7的光谱信号输出端相连接。
2.根据权利要求1所述的用于检测水体有机物综合性指标的水质光学分析仪表的激光诱导光谱生成装置，其特征在于TLD光源1采用带宽范围不小于［370nm, 800nm］的单片集成可调谐半导体激光器，输出功率不小于60mw，波长切换速率不小于1KHz。
3.根据权利要求1所述的用于检测水体有机物综合性指标的水质光学分析仪表的激光诱导光谱生成装置，其特征在于入射光学窗口3带有准直透镜组10，透射光探测光学窗口5带有准直透镜组11，其轴线与入射光学窗口3轴线夹角为180°，用于获取样品的UV/Vis吸收光谱；荧光探测光学窗口6带有准直透镜组12，其轴线与入射光学窗口3轴线夹角为90°，用于获取样品的拉曼散射光谱和高维荧光发射光谱。
4.根据权利要求1所述的用于检测水体有机物综合性指标的水质光学分析仪表的激光诱导光谱生成装置，其特征在于数据处理与控制计算单元8在TLD光源1的可调谐波长范围内，由小到大顺序控制切换TLD光源1的输出波长，并对应于每一个输出波长同步控制双通道光谱仪7，依次从透射光探测光学窗口5和荧光探测光学窗口6获取样品的光谱信息，经光电转换后送入数据处理与控制计算单元8，进行计算后生成样品的UV/Vis吸收光谱、拉曼散射光谱和高维荧光发射光谱，用于样品的有机物综合性指标分析。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140312 |